物質(zhì)燃燒、爆炸過(guò)程中會(huì)釋放出物質(zhì)內(nèi)部潛藏的能量，這些能量通常是人們生產(chǎn)、生活所需能量的主要來(lái)源。但是，當(dāng)人們對(duì)燃燒爆炸失去控制，就要釀成災(zāi)害，造成火災(zāi)或爆炸事故。所以，防止火災(zāi)、爆炸事故必須控制燃燒、爆炸發(fā)生的條件，限定燃燒、爆炸發(fā)生的空間范圍。
火災(zāi)、爆炸事故的形成和發(fā)展，有其自身的規(guī)律和特點(diǎn)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，火要向四周各個(gè)方向蔓延，而且會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，火勢(shì)向外蔓延的速度加快，著火的范圍急劇擴(kuò)大，失的程度也就越發(fā)嚴(yán)重。所以，火災(zāi)發(fā)生后需要及時(shí)迅速地進(jìn)行撲救。爆炸事故是突然發(fā)生的，所以一旦發(fā)生爆炸就無(wú)法控制和制止。為了防爆，只能在爆炸事故出現(xiàn)之前，采取安全防范措施，防止爆炸條件的形成。火災(zāi)和爆炸，除了各自單獨(dú)發(fā)生外，有時(shí)還互為因果，擴(kuò)大事故的規(guī)模，造成更加嚴(yán)重的損失。
1.燃燒和爆炸的形成機(jī)理
(1)燃燒及其必要條件? 燃燒是一種放熱、發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中，物質(zhì)會(huì)改變?cè)械男再|(zhì)變成新的物質(zhì)，所以放熱、發(fā)光、生成新物質(zhì)是燃燒反應(yīng)的三個(gè)特征。下列反應(yīng)均為燃燒反應(yīng)：
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燃燒反應(yīng)在本質(zhì)上屬于氧化—還原反應(yīng)，參加反應(yīng)的物質(zhì)必須包含有氧化劑和還原劑，也就是通常所說(shuō)的助燃物和可燃物。助燃物主要是氧、氟、氯、一些含氧酸及其鹽也可作助燃物(如HNO3、NHNO3、KCO3)。許多金屬(如鐵、鋁、鎂等)和非金屬單質(zhì)(如氫、碳、硫等)可作可燃物，有機(jī)化合物(如甲烷、汽油、合成高分子材料等)幾乎都是可燃物。
要使可燃物和助燃物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還必須具有點(diǎn)火能源，明火、電火花、摩擦和撞擊火花、靜電火花、化學(xué)反應(yīng)熱、高溫表面、雷電火花、光和射線(xiàn)、壓縮升溫等均可作為點(diǎn)火能源。 綜上所述，可燃物、助燃物和點(diǎn)火能源是燃燒得以發(fā)生的3個(gè)必要條件，也就是通常說(shuō)的燃燒三要素。但是，有時(shí)即使上述3個(gè)要素都具備，燃燒也并不一定發(fā)生，這是因?yàn)槿紵龑?duì)可燃物和助燃物有一定的濃度和數(shù)量要求，對(duì)點(diǎn)火能源有一定的強(qiáng)度和能量要求。例如甲烷的濃度小于5％或空氣中氧氣含量小于12％時(shí)甲烷不能燃燒。當(dāng)空氣中氧氣含量小于14％時(shí)，木材也不會(huì)燃燒。若用熱能引燃甲烷—空氣混合氣體，當(dāng)溫度低于甲烷的自燃點(diǎn)時(shí)，燃燒不會(huì)發(fā)生。電焊火星的溫度高達(dá)1200℃，可以點(diǎn)燃爆炸性混合氣體。但如果落在木板上，通常不會(huì)引起燃燒。因?yàn)槟景逅璧狞c(diǎn)火能量遠(yuǎn)大于爆炸性混合氣體，火星的溫度雖高，但熱量不足，故不能引燃木材。由此可見(jiàn)，具備一定數(shù)量和濃度的可燃物和助燃物以及具備一定強(qiáng)度和數(shù)量的點(diǎn)火能源同時(shí)存在，并且發(fā)生相互作用，才是引起燃燒的必要條件。 一切防火和滅火措施，都是根據(jù)物質(zhì)的特性和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件，控制和消滅燃燒條件中的任何一個(gè)。 (2)燃燒的形式和種類(lèi) ?、偃紵^(guò)程?%20大多數(shù)可燃物質(zhì)的燃燒是在蒸氣或氣態(tài)下進(jìn)行的。由于可燃物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，其受熱所發(fā)生的燃燒過(guò)程也不同。氣體最容易燃燒，其燃燒所需的熱量只用于本身的氧化分解，并使其達(dá)到自燃點(diǎn)而燃燒。液體在熱源作用下，首先蒸發(fā)成蒸氣，然后蒸氣被氧化、分解，然后在氣相中著火燃燒。固體的燃燒，如果呈硫、磷、萘等單質(zhì)，它們首先受熱熔化或升華，然后蒸發(fā)生蒸氣，氧化分解后著火燃燒。如果是復(fù)雜的化合物，在受熱時(shí)首先分解，然后氣態(tài)產(chǎn)物和液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣發(fā)生氧化后著火燃燒。燃燒時(shí)放出的熱量又會(huì)使可燃物繼續(xù)溶化，分解、蒸發(fā)、氧化、著火、燃燒，只有助燃物源源不斷地供給，燃燒就一直進(jìn)行到燃物燒完為止。各種狀態(tài)可燃物質(zhì)的燃燒過(guò)程如圖20—8所示。![]()
?、谌紵问?%20可燃物質(zhì)由于其聚集狀態(tài)有氣態(tài)、液體和固態(tài)，它們?cè)诳諝庵腥紵龝r(shí)，一般有5種燃燒形式：
a．?dāng)U散燃燒。當(dāng)可燃?xì)怏w(如氫、丙烷、汽油蒸氣等)從管口、管道或容器的裂縫等處流向空氣時(shí)，由于可燃?xì)怏w和空氣互相擴(kuò)散混合，其混合濃度達(dá)到爆炸范圍的部分遇火源即能著火燃燒。它們形成的火焰叫擴(kuò)散焰。擴(kuò)散焰的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖20—9所示。
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b．蒸發(fā)燃燒?？扇家后w(如酒精、苯等)的燃燒，是由于液體受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣和空氣互相混合后，被點(diǎn)燃產(chǎn)生火焰，它放出的熱量進(jìn)一步加熱液體表面，使液體持續(xù)蒸發(fā)，燃燒持續(xù)進(jìn)行下去。 c．分解燃燒。固體可燃物(如木材、煤、橡膠等)、高沸點(diǎn)液體和低熔點(diǎn)的固體物質(zhì)-(如重油、蠟、瀝青等)燃燒時(shí)，首先受熱分解，放出可燃?xì)怏w，這種氣體被點(diǎn)燃產(chǎn)生火焰，放出的熱量使可燃物不斷地分解，燃燒不斷地進(jìn)行下去。 d．表面燃燒。一些不揮發(fā)也不分解的固體可燃物(如焦炭、鋁、鐵、鈦)在空氣中點(diǎn)燃后，燃燒反應(yīng)發(fā)生在固體可燃物的表面，它能產(chǎn)生紅熱的表面，而不產(chǎn)生火焰。 e．混合燃燒?？扇?xì)怏w或可燃粉塵與助燃?xì)怏w在容器內(nèi)或空氣中擴(kuò)散混合，其濃度在爆炸范圍內(nèi)，遇火源即會(huì)發(fā)生燃燒，產(chǎn)生一個(gè)小火球，此火球在混合氣所分布的空間中快速擴(kuò)大，直到把混合氣全部燒盡。但是，在某種條件下，也可能轉(zhuǎn)化為爆炸。很多火災(zāi)、爆炸事故是由混合燃燒引起的，失去控制的混合燃燒往往會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。 在上述5種燃燒形式中，某種燃燒形式一經(jīng)發(fā)生，就有可能轉(zhuǎn)化為其他形式，或者導(dǎo)致幾種形式同時(shí)發(fā)生。一旦發(fā)生這種情況，往往會(huì)帶來(lái)重大災(zāi)難和后果。 ③燃燒種類(lèi)?%20燃燒現(xiàn)象按其形成的條件和瞬間發(fā)生的特點(diǎn)，分為著火、閃燃、自燃3種。 乙著火?？扇嘉锸艿酵饨缁鹪粗苯幼饔枚_(kāi)始的持續(xù)燃燒現(xiàn)象叫作著火。這是日常生產(chǎn)、生活中最常見(jiàn)的燃燒現(xiàn)象。例如，用火柴點(diǎn)燃柴草、煤油、液化氣等?？扇嘉镩_(kāi)始著火所需的最低溫度叫做燃點(diǎn)，也稱(chēng)著火點(diǎn)?？扇嘉镔|(zhì)的燃點(diǎn)越低，越容易著火。 氣體、液體、固體可燃物都有燃點(diǎn)。但是，燃點(diǎn)對(duì)可燃?xì)怏w和易燃液體沒(méi)有多大實(shí)際意義。因?yàn)榭扇細(xì)怏w除氨外，其燃點(diǎn)都大大低于零度；而易燃液體的燃點(diǎn)僅比閃點(diǎn)高1—5℃。但是，燃點(diǎn)對(duì)于可燃固體和閃點(diǎn)比較高的可燃液體具有實(shí)際意義?？刂七@些物質(zhì)的溫度在燃點(diǎn)以下，是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的一個(gè)措施。在滅火時(shí)采用的冷卻法，其原理就是將燃燒物質(zhì)的溫度降到它的燃點(diǎn)以下，使其燃燒過(guò)程中止。 b．閃燃。任何一種液體的表面上都有一定數(shù)量的蒸氣存在，蒸氣的濃度則取決于該液體所處的溫度，溫度越高則蒸氣濃度越大。在一定的溫度下，易燃、可燃液體表面上的蒸氣和空氣的混合氣與火焰接觸時(shí)，能閃出火花，但隨即熄滅。這種瞬間燃燒的過(guò)程叫閃燃，液體能發(fā)出閃燃的最低溫度叫閃點(diǎn)。液體在閃點(diǎn)溫度下，蒸發(fā)速度較慢，表面上積聚的蒸氣遇火一瞬間即已燒盡，易燃、可燃液體隨時(shí)都有遇火源而被點(diǎn)燃的危險(xiǎn)。所以閃點(diǎn)是液體可以引起火災(zāi)危險(xiǎn)的最低溫度。液體的閃點(diǎn)越低，它的火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。 c.自燃?？扇嘉镔|(zhì)在沒(méi)有外界火源的直接作用下受熱或自身發(fā)熱，并由于散熱受到阻礙，使熱量蓄積，溫度逐漸上升，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)生的自行燃燒現(xiàn)象，叫做自燃?？扇嘉镔|(zhì)不需點(diǎn)火源的直接作用就能發(fā)生自行燃燒的溫度，叫做自燃點(diǎn)三 自燃按其引燃燒源分為自熱燃燒和受熱燃燒兩種。 (a)自熱燃燒。可燃物質(zhì)因內(nèi)部所發(fā)生的化學(xué)、物理或生物化學(xué)過(guò)程而產(chǎn)生熱量，這些熱量在適當(dāng)條件下會(huì)逐漸積累，使物質(zhì)溫度上升達(dá)到自燃點(diǎn)而燃燒，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自熱燃燒。 (b)受熱自燃?？扇嘉镔|(zhì)在外部熱源作用下，使溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到其自燃點(diǎn)時(shí)，即可著火燃燒。這種現(xiàn)象稱(chēng)為受熱自燃。
(3)可燃物質(zhì)的危險(xiǎn)特性?%20能夠發(fā)生火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)的可燃物質(zhì)種類(lèi)繁多，為了評(píng)價(jià)它們的危險(xiǎn)程度，并采取相應(yīng)的正確的預(yù)防措施，首先就要確定它們的危險(xiǎn)特性。能直接導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的危險(xiǎn)特性，有爆炸極限、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、自燃點(diǎn)、最小點(diǎn)火能量和最大滅火間距等。下面著重?cái)⑹霰O限、最小點(diǎn)火能量和最大滅火間距。
?、俦O限?%20可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵和空氣構(gòu)成的混合物，并不是在任意濃度下遇火源都能燃燒爆炸，而只是在一定的濃度范圍內(nèi)才能發(fā)生燃燒爆炸。在此濃度范圍內(nèi)，濃度不同，火焰蔓延速度(即燃燒速度)也不相同。當(dāng)混合物中所含的量稍多于化學(xué)計(jì)算濃度時(shí)，混合物的放熱量最大，火焰蔓延速度最快，燃燒也最劇烈。町燃物濃度增加或減少都要減少發(fā)熱量，減慢蔓延速度。當(dāng)濃度低于某一最低濃度或高于某一最高濃度，火焰便不能蔓延，燃燒也就不能進(jìn)行。在火源作用下，可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵在空氣中恰足以使火焰蔓延的最低濃度，稱(chēng)為該氣體、蒸氣或粉塵與空氣混合物的爆炸下限，也稱(chēng)燃燒下限。同理，恰足以使火焰蔓延的最高濃度，稱(chēng)為爆炸上限，也稱(chēng)燃燒上限。上限和下限統(tǒng)稱(chēng)爆炸極限或燃燒極限。濃度在上、下限之間的范圍內(nèi)，在火源作用下能夠引起燃燒或爆炸；在此范圍之外，則不會(huì)著火，更不會(huì)爆炸。濃度在爆炸上限以上，若空氣能補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，則隨時(shí)有發(fā)生燃燒，爆炸的危險(xiǎn)。
因此，對(duì)濃度在上限以上的混合氣，通常仍認(rèn)為它們是危險(xiǎn)的。
多組分可燃?xì)怏w的爆炸極限，通常用計(jì)算的方法獲得。單組分可燃?xì)怏w、蒸氣的爆炸極限可以從各種手冊(cè)中查到。
根據(jù)理?查特理法則計(jì)算，當(dāng)混合氣體中含有兩種以上成分的町燃?xì)怏w或蒸氣時(shí)，它們的爆炸極限，可根據(jù)理?查特理法則計(jì)算。其計(jì)算公式如下：
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式中???%20X1m——混合氣體的爆炸下限；
X2m，——混合氣體的爆炸上限； na，nb，nc…——可燃混合氣中a，b，c…各組分的百分含量；na，十nb+nc+…＝100％； X1a，Xlb，X1c…——混合氣中各可燃?xì)饨M分的爆炸下限。 X2a，X2b,X2c，…——混合氣中各可燃?xì)饨M分的爆炸上限。 例題1?%20某天然氣含甲烷80％，乙烷15％，丙烷4％，丁烷1％。求天然氣的爆炸極限。假設(shè)a、b、c、d分別表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。![]()
由于理?查特理法則推導(dǎo)時(shí)引入了各種可燃?xì)饨M分同時(shí)著火的假設(shè)，所以(1)和(2)式適用于計(jì)算反應(yīng)活性和活化能正相近的各種碳?xì)浠衔锘旌蠚獾谋O限，對(duì)其他可燃性氣體混合物的計(jì)算結(jié)果有些偏差，但亦有一定的參考價(jià)值。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，含有惰性氣體的多組分可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限可用下式計(jì)算：![]()
煤氣的爆炸范圍為16．7％~84．8％。
爆炸極限的影響因素。爆炸極限通常是在常溫、常壓等標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定出來(lái)的數(shù)據(jù)，它不是固定的物理常數(shù)。不同的物質(zhì)有不同的爆炸極限。同一種可燃?xì)怏w、蒸氣的爆炸極限也不是固定不變的。它隨溫度、壓力、含氧量、惰性氣體含量、火源強(qiáng)度等因素的變化而變化。
初始溫度。混合物著火前的初溫升高，會(huì)使爆炸極限范圍擴(kuò)大，爆炸危險(xiǎn)性就會(huì)增加。
初始?jí)毫Α；旌蠚怏w的初始?jí)毫υ黾?，上限顯著提高，爆炸范圍擴(kuò)大。例如甲烷的爆炸范圍在100 kPa下為5．3％~14％，在1000kPa下為5．7％~17。2％?；旌蠚怏w在減壓的情況下，爆炸范圍會(huì)隨著減小。壓力降到某一數(shù)值，上限與下限重合，這一壓力稱(chēng)為臨界壓力。低于臨界壓力，混合物則無(wú)燃燒爆炸的危險(xiǎn)。所以在化工生產(chǎn)中，對(duì)于一些燃爆危險(xiǎn)性大的物料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存，往往采用在臨界壓力以下的條件進(jìn)行。
含氧量。混合物中的含氧量增加，爆炸上限提高，爆炸范圍擴(kuò)大，爆炸危險(xiǎn)性增加。例如，甲烷在空氣中的爆炸范圍為5．3％~14％，在純氧中的爆炸范圍為5．0％～61％。
